焊接板件铣边机设计论文

第一篇：焊接板件铣边机设计论文

第一章 概述

1.1

尾槽，V型槽）或成形面等。

（二）铣床加工特点

铣

加工范围广，适合批量加工，效率高。铣刀属多齿工具，根据刀具的不同，出现断续切削，刀齿不断切入或切出工件，切削力不断发生变化，产生冲击或振动，影响加工精度和工件表面粗糙度。铣床加工精度为179—177。表面粗糙度为Ra6.3-1.6um。

三、铣削加工与铣削工艺

（一）铣削加工

铣削加工是在铣床上利用铣刀旋转对工件进行切削加工方法。铣刀是旋转的多刃具。铣削是多刃加工，且铣刀可使用较大的切削速度，无空回程，故生产效率高。

（二）铣削用量

它包括铣削速度，进给量和铣削宽度和深度。

1、切削速度V c

切削速度即为铣刀最大直径的线速度：

V c=πdn/1000 m/min

2、进给量：

指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。

有三种方式：

（1）每齿进给量f z mm/z

（2）每圈进给量f mm/r

（3）每分钟进给量 mm/min 铣床多用于削加工的基本知识

一、常用铣床概论

（一）万能卧式铣床

铣床的主轴中心线与工作台面平行。其工作台有三个方向即垂直横向及纵向都可以移动。纵向工作台在水平面内还能向左右旋转0—45度的角度。如选择合理的附件和工具，几乎可以对任何形状的机械零件进行铣削。

（二）立式铣床

铣床的主轴中心线与工作台面垂直，有的立铣因为加工需要，主轴还能向左右倾斜一定角度，以便铣削倾斜面。立式铣床一般用于铣削平面斜面或沟槽，齿轮等零件。

（三）龙门铣床

此铣床具有足够的刚度，适用与强力铣削，加工大型零件的平面，沟槽等。铣床通常有二轴、三轴甚至更多主轴以进行多刀、多工位的铣削加工，生产效率很高。铣镗加工中心在生产中也获得了广泛应用，他可承担中小型零件的铣削或复杂面的加工。铣镗加工中心尚可进行铣、钻、绞、镗、纹丝等综合加工，在一次工件装夹中可以自动更换刀具，进行铣、钻、绞、镗、纹丝等多工序操作。

二、铣床加工范围及加工特点

（一）铣床加工范围

可加工水平面，台阶面，垂直面，齿轮，齿条，各种沟槽（直槽，T型槽，燕

每分钟进给量 γ f=f·n=f z·z n mm/min

3、背吃刀量

也就是切削深度a p,它是沿铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。

4、侧吃刀量

就是切削宽度a e,它是沿垂直与铣刀轴线上的测量的切削层尺寸。

（三）选择铣削用量的次序 首先选择较大的铣削宽度、深度，其次是加大进个量。最后才是根据刀具耐用度的要求，选择适宜的铣削速度。

（四）铣削方式

1、逆铣

铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削形式称为逆铣。

2、顺铣

铣刀旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称顺铣。

3、端铣

端铣的铣削方式有对称和不对称铣削两种。铣削时铣刀的轴线位于工件中心，这种铣削称为对称铣削。铣刀的轴线偏于工件的一侧时的铣削，称为不对称铣削。

1.2 铣削加工的历史

切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。

任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬；不同的刀具结构和切削运动形式，构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等；用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和抛光等。

切削加工是机械制造中最主要的加工方法。虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日广，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。

切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期(公元前13世纪)，就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期(公元前12世纪)，曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期(公元前206～公元23)，就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在“金缕玉衣”的4000多块坚硬的玉片上，钻了18000多个直径1～2毫米的孔。17世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元1668年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达2丈(古丈)的大铜环，然后再用磨石进行精加工。

18世纪后半期，英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力；到19世纪70年代，切削加工中又开始使用电力。

对金属切削原理的研究始于19世纪50年代，对磨削原理的研究始于19世纪80年代，此后各种新的刀具材料相继出现。19世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上，达到25米/分左右；1923年出现的硬质合金刀具，使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右；30年代以后出现的金属陶瓷和超硬材料(人造金刚石和立方氮化硼)，进一步提高了切削速度和加工精度。

随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。

金属材料的切削加工有许多分类方法，常见的有按工艺特征、按材料切除率和加工精度、按表面成型方法三种分类方法。

切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构，以及切削工具与工件的相对运动形式。因此按工艺特征，切削加工一般可分为：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密加工、钳工和刮削等。

量一个国家装备制造水平的重要标志。因为高速切削加工技术已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等关系到国计民生的重要领域，也代表着现代切削制造技术的发展趋势。

近几年来，我国对数控机床需求急剧增加，2000年至2005年，我国数控金切机床产量从14053台跃至59639台，年增长率为33.5％。我国金切机床产值数控化率从1996年的11.6％提高到2005年的47.3％。这表明我国的数控机床行业有了极大的发展。另一方面，我国数控机床进口额连年激增，从2001年的24.1亿美圆增至2005年的64.95亿美圆，国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势，尤其是高速、高精度多轴机床，几乎完全依赖进口[1]。这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高端加工中心落后于发达国家。因此，国家在“十五”、“十一五”规划中都把以数控机床为核心的装备制造作为重大专项，以期在这方面有所突破。

数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械电子技术以及计算机图形处理技术于一体的综合性技术。其中NC编程是这一技术的灵魂。NC编程成为各种CAM软件的核心。因为NC编程直接影响着数控机床的使用效率和加工质量。所以国内外投入了大量的人力和物力来提高CAD/CAM软件的编程效率，加工效果以及智能化水平。

现代高速切削加工发展概况 由于目前绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现，切削加工在机械制造中1.3 铣削加工现状

高速铣削加工（High Speed Milling, HSM）以其巨大的优势，迅速成为现代加工制造领域最重要的加工手段之一，也是衡

占用十分重要的地位。经济全球化使制造国际化，因此竞争也越来越激烈。如何提高效益、降低成本、加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望。高速切削加工所具有的明显优势，近年来得到广泛应用并迅速发展。

高速铣削加工（High Speed Milling，简称HSM）的概念源于德国切削物理学家C.J.Salomon博士于1931年所提出的著名切削实验及物理引申[2],他认为对应一定的工具材料有一个临界切削速度，达到此温度切削温度最高。当超过这一临界切削速度，切削温度反而会降低，而大幅度提高机床的生成效率。

高速铣削加工技术作为一门新兴的技术，以其与传统加工相比无可比拟的优点，在加工制造业中得到了越来越广泛的应用，也带来了巨大的经济效益。我国要实现由制造业大国向制造业强国的跨越，必须有强大的制造装备业及相关产业体系作支撑。我国目前的高速数控技术也得到了迅速的发展。但是，我国还缺少高速铣削加工的核心技术，还有许多基础性的研究工作有待开展，这也是我国走向制造业强国的必由之路！

由底部的电动机经联轴器2传递到2号减速箱，由2号减速箱输出给与之相配合的滑动丝杆螺母机构，从而带动机架部分沿工作台上的导轨面运动，作横向进给。刀具的旋转运动由动力头提供。

二、方案2：

该方案与方案1的不同之处在于升降运动和进给运动都是在钢丝绳的牵引作用下实现的。

三、方案3：

该方案与方案1的不同之处在于控制升降运动和进给运动的滑动丝杆螺母机构由滚动丝杆螺母机构代替。

四、方案比较：

方案1：该方案的升降运动和进给运动是由滑动丝杆螺母机构实现，而滑动丝杆螺母机构具有降速比大、运动平稳和运动精度高、轴向牵引力大、自锁性能好等优点，但是它的不足之处是它的传动效率不高、刚度较低。

方案2：在该方案中，钢丝绳起了重要的作用，电动机的转动给钢丝绳一个牵

引力，通过此力实现机床的升降运动和进给运动。这个方案的优点在于钢丝绳制造简单、维修方便、成本低、传动效率较高，但是它运动不够平稳且运动精度低，在传动过程中易产生颤动、不能够自锁、降速比不大。第二章 方案设计

一、方案1：

该设计机床的升降运动由顶部的电动机通过联轴器1传到1号减速箱，带动滑动丝杆螺母机构，由滑动丝杆螺母机构带动动力头作升降运动，铣床的进给运动则

方案3：该方案中采用了滚动丝杆螺母机构，通过该机构来传递运动，以满足机床的要求。该方案中的滚动丝杆螺母机构具有摩擦损失小，传动效率高、动作灵敏，低速运动时无爬行现象、磨损小，精度保持性好、可消除轴向间隙，轴向刚度高、摩擦系数小等优点，但是它的工艺复杂，生产成本高，不能实现自锁。

综合考虑，最终选取方案1为最终设计方案，通过其Solid Edge绘图如下图2所示。

三个电动机提供动力来源，即电动机

1、电动机2及动力头。其中：1号电动机通过联轴器带动1号减速箱旋转，从而带动1号丝杆旋转，控制小托板在垂直方向做上下移动，同时使动力头在垂直方向上做上下移动，适合于不同厚度的焊接板件的加工。其加工行程为560mm；2号电动机通过2号减速箱带动2号丝杆转到，通过螺母机构带动铣边机的大托板（即机架）左右移动，完成行程为3600mm；可以适用于中小焊接板件的铣边。动力头的功率为5.5kv,转动角度由手轮转动来调节，其转动是通过棘轮调节，达到转动角度为0-90度，能够满足板所有板件的铣边工作。

第三章 机床具

体参数设计

机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，其中基本参数又包括尺寸参数、运动参数、动力参数。该机床的主参数已经确定，它是加工焊接板件的专用铣床。其参数如下： 图1 方案1初步设计工程图

五、其工作原理如下：

该铣床由三个动力部分组成；分别由

一、技术参数

如今我以走上了工作的生涯，近段时间对外协这一方面有了一定的了解，其焊接板件在冷作过程中都要经过铣边这一阶段，通过参考厂家铣边的特点以及结合我公司所以工作零件的特点，决定铣边机的工作行程为3600mm，当今的厂家在生产过程中最看重的是效率问题。所以通过生产效率及工作经验初步选择其运动速度为200mm/min。在铣边行程中为了方便对工件的铣边，对动力头在横向方向的运动行程为200mm/min，由于板件的厚度不同，在垂直方向上确定其行程为560mm；铣床的功率为单一工作，其功率的要求不是很大，初步确定其功率为5.5KW。

二、动力参数的确定

动力参数一般是指机床的电动机的功率，由于该机床属于专用机床，铣刀头的功率为5.5KW，因此，主运动驱动电动机的功率为5.5KW。

确定进给驱动电机的功率，由于进给运动的速度较低，空载时的功率很小，在计算时可以忽略，所以进给驱动电机的功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，根据参考资料【3】得。即

s-------------进给传动系统的总机械效率（一般情况下取0.15～0.2）。

初步选去进给驱动电动机的功率为5.5KW。

3.1 电动机的选择

由于本设计需要两个功率在4.0KW以上，重量不能太大并且采用连续周期工作制的（S6）异步电动机，其安装形式均为B201101，通过查参考资料【3】选得：

一、1号电动机Y112M-4，技术数据如下：

额定功率4.0KW，转速1440r/min，额定电流8.77A，效率84.5%，功率因数0.82，最大转距/额定转距为2.2，堵转转距/额定转距为2.2，堵转电流/额定电流为7.0，转子转动惯量GD²为0.095N*㎡，重量为43㎏。

二、2号电动机Y132S-4，技术数据如下：

额定功率5.5KW，转速1440r/min，额定电流11.6A，效率85.5%，功率因数0.84，最大转距/额定转距为2.2，堵转转距/额定转距为2.2，堵转电流/额定电流为7.0，转子转动惯量GD²为0.214N*㎡，重量为68㎏。NSQvs60000S

式中：NS---------进给驱动电动机功率（KW）；

Q-------------进给抗力（N）；

vs------------进给速度（m/min）；

3.2 动力头的选择

根据加工要求和机床的结构设计，并考虑到经济因素，选择型号为ITX32的动力头，该铣削动力头功率大、刚性好、切削平稳、精度高、操作调整方便。同时此动力头具有普通级、精密级和高精密级三种，能够与四种传动装置即ING皮带传动、1NGB顶置式齿轮传动、INGC尾置式齿轮传动INGD手柄变速齿轮传动装置配套使用。该动力头的参数如下：

电机功率为5.5KW，电机转速为960r/min，刀盘直径为125-315mm，配套传动装置及主轴转速为ING32 500-1600 r/min，主轴滑套直径为190mm，主轴滑套移动量为80mm，主轴中心高为160mm，主轴前轴承轴径为90mm，选用顶置式，整体重量为305kg。

第二篇：焊接工艺设计原理之我见论文

摘要：焊接工艺是焊接生产的核心内容，焊接工艺贯穿于焊接结构生产的全过程，为了高质量的完成焊接产品，在焊接工艺方面需要注意焊接工艺的合理性、先进性、正确性，这些特性直接决定了产品的焊接质量。焊接工艺的设计直接影响了焊接企业的经济效益，因此焊接工艺设计原理越来越被企业的管理者所重视。

关键词：焊接工艺；主要内容；设计阶段

1、焊接工艺设计的主要内容

在焊接产品的整个生产过程中，工艺设计贯穿始终。焊接企业生产的产品类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等都与焊接工艺设计紧密相关，但工艺设计人员实际操作经验以及生产管理体制对焊接产品也有一定的影响。由此可见，加强对焊接工艺的管理对焊接企业的生产效益有着重要的影响。焊接工艺设计方案多种多样，某一项数据的变化均会导致焊接产品的不同，因此，焊接工艺的设计是十分灵活的。在传统的焊接领域中，焊接工艺设计方案均由相关技术人员依据自身经验进行操作，这就对技术人员提出了很高的要求。然而由于工作量大以及技术人员的局限性，不可避免的就会出现一些不尽如人意的地方。在现代焊接领域中，在焊接工艺选择、焊工档案管理和焊接工艺评定数据库系统等方面，均使用了计算机辅助焊接工艺系统帮助研究焊接工艺的设计。这使得焊接工艺技术飞速发展。

1.1焊接工艺设计的工作内容

在许多的以焊接工艺为主导的现代生产企业之中，其焊接工艺设计系统已经较为完善，该系统涉及到的焊接工作种类繁多形式多样。其主要工作内容有以下几点。第一，进行产品图样的工艺性审查。对产品进行图样的工艺性审查主要针对于具有独立设计产品能力的企业，之所以要针对产品进行图样的工艺性审查，其主要目的就在于决定产品是否能够被继续加工下去，以及保证焊接质量。而在对于施工图样进行工艺性审查的过程之中，必须要严格地遵循相应的国家标准、制造法规以及安全监督管理措施以及企业内部规定的焊接要求等。一旦没有按照章程进行工艺性审查，那么焊接产品的质量就得不到保证。对于那些不具有自行设计能力的企业，就不必做产品图样的工艺性审查。第二，产品焊接工艺方案的制定。对于一些新产品而言，其往往需要进行焊接，而在对其进行焊接之前，需要对于焊接工艺方案加以有效地制定。为了保证焊接产品的质量，首先应该仔细分析施工图样的各项参数，结合相应的技术要求，自身生产车间的可用设备等各个细节，制定出详细的制作方案。工艺设计方案应该集技术部门、生产部门等各个部门一起讨论，最后由总工程师审批，通过审批方可开始进行下一步的生产工作。第三，进行焊接新材料、新工艺和新设备试验。焊接技术的不断进步离不开一系列试验的实施。人们总是在不断的实验中得到启发，从而推动一项新技术的产生。因此焊接工艺设计的工作内容当然也包括了一系列的实验。通过实验过程中的数据分析得出一系列的结论，从而推动焊接领域的发展。当然焊接工艺设计的工作内容形式多样，不可能仅仅局限在这三方面。还有许多其他方面的内容，比如说产品焊缝识别卡的编制、焊接工艺规程的制定等，也都是在焊接工艺设计的范畴之内。

1.2焊接工艺规程的编制

在开展焊接作业的过程之中，焊接工艺规程对于焊接产品质量有着非常重要的影响。随着人们经验的不断积累以及技术水平的不断提高，当前在开展焊接作业的过程中，所使用的焊接工艺规程主要有三种，分别是通用焊接工艺规程、标准焊接工艺规程以及专用焊接工艺规程，对于焊接工艺规程有效地加以制定，就可以很容易的依据相关规程正确选用焊接材料、焊接参数和操作技术，除此以外，焊接工艺规程也可以作为接头质量检查规程的依据。

2、焊接工艺设计工作程序

由于焊接工艺设计工作范围的广泛性，必须遵守一定的工作程序才能保证焊接工艺设计工作的有序进行。通常，把焊接工艺设计阶段分为基础焊接工艺设计标准准备阶段、焊接生产工艺设计准备阶段、焊接工艺试验和技改措施实施阶段以及产品焊缝质量检查阶段。

2.1基础焊接工艺设计标准准备阶段

在进行准备的过程中，首先需要对于产品的焊接技术条件加以明确，根据实际的情况来从目前的焊接工艺方法中选取最适合产品的焊接工艺方法，使所有的结构材料焊接材料焊缝等达到国家规定的标准。在准备阶段相关工作人员需要熟知国家法律、法规、技术标准以及本企业的制造规程。在对于相应的工艺进行使用的过程中，对于工艺使用方法以及技术标准等内容，企业应该每隔三四年进行调整用以保证企业标准与时俱进。

2.2焊接生产工艺设计准备阶段

在对于焊接生产工艺进行设计的过程中，主要需要开展两个方面的工作，第一是对于产品施工图样的公益性加以审查，第二则是对于焊接工艺方案加以确定。其中，产品施工图样的工艺性审查仍旧仅限于具有独立设计产品能力的企业。焊接工艺方案策划人员不仅要熟知产品生产工艺流程以及加工方法，还要清楚本行业的发展水平。不能当本行业已经研究出更好的制作方法时仍旧采用过时的老方案来解决问题。

2.3焊接工艺试验和技改措施实施阶段

焊接实验的研究工作制约着整个焊接领域技术的发展。为了提高整个领域焊接水平。建立具有一定规模的实验室用以相应的焊接实验研究工作是具有积极意义的。且由于新产品的需求日益增高，所以当前要想更好地对于新产品进行研发，就必须要通过实验来对于新的产品进行研究，从而使得焊接工艺能够满足当前发展的需求，并且在完成了相关的实验之后，还必须要将研究成果以报告的形式交由总工程师审批，在审批完成之后，再将其编订为基础焊接工艺标准。

2.4产品焊缝质量检查阶段

在完成了焊接之后，还需要对焊缝的质量进行有效的检查，焊缝质量检查也是焊接工艺的一个重要组成部分，而一般在进行焊缝质量检查的过程中，检查的主要内容包括外观检查、无损检测以及产品试板的破坏性试验。焊缝质量检查是保证焊接产品质量的一个重要手段，通过对焊缝进行无损检测以及开展破坏性试验，能够更好地对焊缝的质量进行判断。

3、结束语

为了保证焊接产品质量，在焊接过程中的每一步都需要格外遵循一系列的焊接章程。焊接工艺设计技术越来越受到企业的重视。在技术更新如此迅速的时代，焊接企业在保质保量完成相应工作的同时还应该大力进行创新探索，提高企业核心竞争力，为推动我国焊接技术领域的发展做出贡献。

参考文献

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第三篇：固定管板换热器优化设计分析论文

一、引言

换热设备是核电、化工、石油及其他许多工业部门广泛使用的设备，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适用性，至今仍占据主导地位。在固定管板换热器中，壳体，管板和换热管之间为刚性连接，在各种载荷作用下的变形必须互相协调。本文采用有限元分析的方法，计算固定管板换热器在内压和温度载荷耦合场的作用下，其管板所受的应力，并分别计算了不同厚度的管板所受的应力，以获得管板厚度与应力的关系。

二、工作条件与结构

本文以核电厂的某冷却器为例，该换热器为固定管板式换热器，壳体为Ф219.1×4mm，换热管为Ф19×2mm，正三角形排列，管板上共布了26根管子，管板厚度为30mm，壳体厚度为4mm，壳侧材料为022Cr19Ni10，管侧材料为022Cr17Ni12Mo2。换热器的设计参数如下:设计压力:管程pt=0.66MPa，壳程ps=0.5MPa;设计温度:管程进出口温度为20℃～70℃，壳程流体发生相变，进出口温度均为138.8℃。材料的弹性模量为E=2.1×105MPa，泊松比为ν=0.3。换热管与管板的连接采用胀焊并用的方法，焊接后进行胀接。在之前的工程中出现过该换热器由于工厂工艺限制，无法满足换热器的管子和管板之间拉脱力的要求，为此工厂不断提高胀接压力试图达到所需的拉脱力。随着胀接力的增加，残余接触应力的峰值也会增加，使换热管在胀管区和非胀管区的应力都不断增加，令管板内的换热管发生开裂，并且制造厂在提高胀接压力后发现换热管的壁厚减薄率超出适用范围，无法满足设计需求，最后只能通过增加胀接距离的方法来提高拉脱力，但在非胀管区进行胀接需要工厂操作控制得当，否则容易损坏焊缝，因此不推荐该做法。通过经验反馈，吸取以往的工程经验，将本换热器重新进行优化设计，考虑将管板的厚度增加，以满足拉脱力的要求。理论上增加管板的厚度相当于加强其刚度，是降低应力的一个措施，到底是不是这样还需要计算所得，通过有限元分析来获取一个合适的管板厚度。因此接下来利用ANSYS热结构耦合场分析方法对管板进行分析。

三、有限元建模

以厚度为45mm的管板为模型，利用热工计算出的换热参数，对换热器进行温度场分析，完成热分析后，再施加结构载荷再通过耦合场分析，获得管板的应力，分别计算不同厚度的管板其应力的大小来获得管板厚度与应力的关系，来选择最合适的管板厚度。(一)载荷与边界条件。为了提高计算的精度，真实模拟换热管与管板连接处各个部件的应力状态，管箱、管板、换热管和壳体均采用实体单元，为减少计算量，利用对称功能将其简化为1/4的实体分析模型，在壳侧只保留一部分的外伸换热管和壳体，外伸长度，设置材料参数属性，并对其进行网格划分，(二)热分析施加载荷与边界条件。热分析过程中，只为模型添加热载荷，不需添加力边界条件。首先为模型添加对流传热方式，设置换热器内部流体与换热器壁面为对流边界，根据热工计算结果，分别输入壳程和管程的对流传热系数11432.1W/m2℃与2407.1W/m2℃，对换热管的外表面、壳程筒体内表面和管板壳侧表面施加138.8℃的温度载荷，并对换热管的内表面、管箱内表面和管板管程表面施加20℃的温度载荷。(三)结构分析模型载荷与边界条件。在热分析后进行结构分析，此时在换热器的壳侧和管侧施加相应的压力载荷;压力载荷施加完成后再将热分析得到的温度分析结果作为载荷加载到模型上。力边界条件为，在换热器的对称面上施加位移约束。

四、计算结果

(一)热分析结果。为换热器的温度场分布云图，通过热分析可清楚看出换热器在正常工况下各处的温度分布情况。可见壳体和管侧筒体的温度分布较为均匀，管板与壳侧筒体连接区域的温度梯度较大。最大应力发生在管板与壳体连接的地方，靠近底部;分析原因，一是管板与壳体连接处温度变化剧烈，从高温急剧变化到低温，该区域存在较大的温差，于是受到的应力急剧增大;二是壳体与管板的厚度相差较大，造成了连接处的不连续性，形成了局部的应力集中;三是管板材料为022Cr17Ni12Mo2，壳体材料为022Cr19Ni10，两种不同的材料性能存在差异。(二)结构分析结果。结构分析时，将热分析的结果导入到结构分析模块中，温度场分析所得的节点温度作为载荷施加到模型上，同时施加力边界条件，可见最大应力值发生在管板与管程筒体的连接处，其他较大应力的位置是壳程筒体与管板连接处和管板开孔的位置，这三个位置均为结构不连续位置，因为得到的应力较大。对其进行应力线性化，对应力进行评定，换热器满足工作要求，结构安全可靠。(三)管板厚度对比分析。以上的分析是以管板厚度45mm为例，获得换热器所受的应力，为了获得不同管板厚度下换热器的应力分布，本节分别选择管板厚度为30mm，45mm和60mm对其进行热分析与结构分析应力计算，可见当管板的厚度达到一定值后，增加管板的厚度并未降低所受应力，原因在于壳体壁厚较小(4mm)，两者的刚度相差较大，换热器结构的变形和应力主要由管板和壳体之间的温度载荷及内压引起，由于增加了管板的厚度，管板抵抗变形的刚度变大，对与之连接的壳体有较强的约束，形成局部的应力集中。因此选择管板厚度45mm是比较合适的。经工厂验证，在该胀接距离下胀接压力不超过200MPa就可以达到所需的拉脱力，管子的壁厚减薄率也满足要求。

五、结语

第一，壳侧与管侧的温差较大，由于温差的存在会形成较大的温差应力，因为温度载荷对管板会造成较大的热应力，因此对温差较大的换热器进行结构热耦合分析非常必要。第二，在施加了热载荷和力边界条件后，发现最危险的区域没有发生在管板上，而是发生管板与壳体的连接处，因该处结构不连续，容易形成较大的应力。第三，管板厚度的增加并不一定能降低应力，管板的厚度需与壳体的厚度相匹配，以免造成局部的应力集中。采用有限元分析的方法将温度场和结构分析相耦合，通过计算管板在压力载荷和温度载荷联合作用下的应力，优化了管板的厚度，使其既满足了拉脱力的要求又满足了经济性要求，为管板强度的设计提供了借鉴。

【参考文献】

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［3］杨明，孟晓风，张卫军．管壳式换热器的一种优化设计［J］．北京航空航天大学学报，2009，5(35):615～618

［4］张亚新，唐丽，别超．固定管板是换热器管板热－力耦合场有限元分析［J］．机械设计与研究，2012，3(28):124～126.

第四篇：链篦机铲料板系统的优化研究论文

链篦机—回转窑的工艺在氧化球团及水泥行业中的应用越来越广泛。尤其是在氧化球团行业链篦机是这一系统的主机设备。链篦机作为一种大型非标热工机械设备，其涉及到热力学、流体力学以及材料科学等多个领域。其设备中含有的耐热件材料比例较大，在整套设备当中占据极其重要的位置，重要性超过了驱动部分。所有这些都决定了铲料板系统在链篦机中的特殊性及重要位置，下面将对铲料板系统的优化改进进行具体阐述。铲料板结构介绍

铲料板系统是介于链篦机与回转窑之间的过渡部件，其所在区域温度高达1100℃以上，是普通材料所不能承受的。铲料板系统具体位置在链篦机头部最前端，在头部链轮上方，与链篦床保持一定间隙，防止链篦床翻转，并将链篦床上的物料转入窑尾溜槽中。原结构由左、中、右铲料板，支撑梁组成。原铲料板系统存在的主要问题

由于铲料板系统整体位于链篦机的头部，长时间处于高温区，铲料板尾部容易受到回转窑中热气冲击，易损坏。铲料板支撑梁由于空间位置小，在外层仅有薄层耐火泥保护，这就给铲料板系统带来了很大的安全隐患，易发生事故。另外，因为料球直径一般在8mm~16mm之间，链篦床在运行翻转过程中经常会出现一定翘起的现象，所以铲料板与链篦床的安装间隙要求较高，过大会产生漏料问题，过小则可能卡住链篦床，引起更严重的后果。原结构中的安装间隙不可调节，在现场安装临时处理整改。造成很大困难，而且很难保证安装精度。

经过多次实践，我们已较地好掌握了对老的铲料板系统的制造与安装，能使其较好的运转。虽然解决了使用精度，但在使用寿命方面仍然没有太好的改善。新结构的性能优势

出现问题也是推进技术革新的原因和动力，技术总是不断在向前发展的。通过向专家咨询，在网上查阅各种相关资料等途径，最后与相关设计人员在一起研究探讨，集思广益，决定采用新的方案：即改变现有铲料板系统的结构形式来消除老式结构中无法解决的问题。

新的方案设计完成后，在迁安保利一条年产30万吨的球团线得以尝试与应用，经过一年半的时间运行，现场反馈效果相当好。

首先从性能方面来说，新的结构形式使料球更容易沿铲料板均匀缓缓溜入窑尾溜槽。而且铲料板尾部多出一个小弧段，目的是为了在铲料板上能堆积一部分料球，从而对铲料板起到一定的保护作用，当热气流从回转窑过来时，热气流直接冲击堆积物料，阻止热风直接冲击铲料板。而且减少料球对铲料板的磨损，在不改变铲料板材质的情况下，利用自身的结构特点起到延长铲料板的使用寿命。

其次，支撑梁改用焊接钢管的形式，内部可以通水冷却。外层用耐火浇注料保护，大大的提高了铲料板系统的安全性能。从支撑梁上部进入一定压力的常温自来水进行冷却，从支撑梁下部流出。这样的结构使支撑梁的温度被大大地降低，从而使其被氧化速度变慢，寿命时间得到了延长。更主要的是，由于无冷却系统保护得老式结构，在长期高温的作用下，除了不断被氧化腐蚀外，还会产生影响到链篦机的正常运行的变形。而新式结构由于冷却系统的作用，只会产生很小的变形量，对链篦机的运行产生不了多大的影响。

最后，是调整装置和拉紧装置的结构设计，很好的保证了铲料板系统与链篦床的间隙，安装调整方便，当运行时一旦链篦床有翘起的情况，当通过铲料板的时候，在自重和拉紧装置的调节下，可以使链篦床平复，顺利通过，不宜卡死，也不会使铲料板翻转。而且每块铲料板下面都有调整装置和拉紧装置，对各自不同的情况来进行调节。

实践证明这种新的结构形式既容易安装调试，便于维修更换，又能很好地保证其使用性能。

结语

综上所述，优化改进后的铲料板系统作为链篦机的核心部件，它的各项性能有了明显提升，得到用户一致认可，同时也为今后新型链篦机的设计奠定了很好的基础，并且为日新月异的市场开拓提供了有力的技术支持。

第五篇：人性化设计中的人机工程学工业设计论文

人性化设计中的人机工程学工业设计论文作者：本站

来源：网络

发布时间：2006-9-21 15:13:00 发布人：admin

--李梁军，黄朝晖

[关键词]人性化设计；人机工程学；系统；人；机；环境[摘 要]通过对人性化产品设计具体案例的分析来说明了人性化设计中所包含的人机工程学因素，并进一步阐述了在产品设计中的人机工程学的工作步骤，指出中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，符合人机工程学，使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。

社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快„„等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题。

所谓人性化产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物(产品)之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。

那么，对于一件产品是如何来评价它在人机工程学方面是否符合规范呢? 以德国Sturlgart设计中心为例，在评选每年优良产品时，人机工程上所设定的标准为：

1)产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

2)产品是否顺手和好使用；

3)是否防止了使用人操作时意外伤害和错用时产生的危险；

4)各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

5)产品是否便于清洗、保养及修理。

一般情况下，在设计教育中常以上述第三项较为强调，而消费者在购买商品时，则是以产品的视觉效果、商场气氛及价值来决定购买行为的成立与否，但作为一名好的设计师应为产品长期使用的效果及舒适性负责，尤其是避免伤害与危险的防止更是不可忽视的考虑因素。如，在操作计算机的上机姿势中，在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不得不将背部靠在椅子靠背上作业(后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从而增大肩部所需要的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳)，而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。那么，要解决诸如此类的问题，设计师就必须充分考虑人机工程学的因素。

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学因素往往是企业提高其竞争力的手法之一。若说“人性化产品”是与“人”合为一体的产品设计，“人机工程因素”则是设计工业产品时的人机界面所必须考虑的因素。在我国即将加入WTO所面临的冲击下，中国的制造业无不是严阵以待，企图在竞争中保持优势。管理大师麦克·波特(MICHAEL PORTER)曾说过，企业具备竞争优势的两个方式，一是扩大生产规模，走向规模经济，才能占有成本上的优势；另一个便是创造企业或产品的附加值，制造消费者趋之若鹜的心理。在现今产品和质量逐步提高，且消费者对商品品质要求越来越高的情况下，各产品制造商们无不力求突破，希望能出奇制胜，打动消费者的心。拿当今世界上提出的“健康”人机工程学的新要求为例，即是用某些考虑人机因素的辅助性产品，如：电动腰靠、紫外线阻隔(UV、CUT)等来提高产品人性化的层次，籍此创造其他品牌无法模仿的优势，而赢得消费者青睬的。

究竟什么样的产品需要人机工程呢？在设计上又如何表现，才能成为符合人机工程学的产品呢?

工业设计师指出，就电脑的相关部件和设备而言，如键盘、鼠标等输入装置，因使用者可能长时间利用其从事工作或娱乐，接触的时间较长，在使用时也可能十分投入。因此，人机工程学就成了设计上最主要的条件之一。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。本学科的人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。

系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，如系统中人和机的职能如何分工；如何配合；环境如何适应人；机对环境又有何影响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。

作为一个全息系统的局部，一个产品中包括了我们这个商品社会中的全部信息。一件设计优良的产品，必然是人、环境、经济、技术、文化等因素巧妙融合、平衡的产物。开始一项产品设计的动机可能来自各个方面，有的是为了改进功能，有的是为了降低成本，有的是为了改变外（转载自中国教育文摘http://www.edUzhai.net，请保留此标记。）观，强化“柜台效应”，以吸引购买者，更多的情况是上述几方面兼而有之。于是，对设计师的要求就可能来自功能、技术、成本、使用者的爱好等各种角度。不同的产品设计的重点也大不相同，暖水瓶的设计显然就要比香水瓶的设计考虑更多的人机问题；再以肇及设计所设计的电脑游戏遥感器为例，乍见此产品时，看似不符合人机工程学，但实际使用时却很合手，操控性良好，而且遥感器外型颇酷，用此摇杆玩空战游戏，有操控战斗机的味道。相比于市场上其他同类型的产品，即使售价比一般产品高出许多，也一样大受欢迎，足见其魅力所在。但也有这样一种产品，在市场上受到欢迎，是因其外型讨好且成本不高所致，但缺点是产品轻，因此，在使用时本来一只手操作很方便，却不得不双手并用才行，这就是该产品在人机工学上的不足之处；但在成本、售价及市场因素的考虑下，厂商还是推出此种产品。而对于专业用品就不同了，例如美发师每天所使用的吹风机，除草机工人所使用的修剪机就绝对不能轻视人机工程学在生理层面上的考虑。

然而，一个好的产品设计是可以涵盖形态和人机因素的，产品的外形一样也可以有机会作人机工程的发挥。以TEAGE为微软所设计的易用鼠标球而言，该鼠标是特别为儿童体验电脑而设计的，在方案决定之前对儿童的抓握方式进行了研究，黄白两色相间的鼠标球使儿童们在学习电脑时，增加了趣味性和功能性。该产品已经超脱了产品造型上的束缚，除让其更好用之外，也同时赋予了产品新的意义与想象空间。

除了一般的大众消费品之外，专为特殊族群所设计的产品在人机工程学上也有更多的考虑。如，残疾人用的瓷器套具，此套设计是专为残疾人做的餐具，又不让人直接看出它们是专为残疾人做的。故而，设计师在充分考虑了人机工程学的基础上，特别处理手把的凹凸，使患者拿在手里有一种心态上的平衡感，既能看到，又能摸到，但又不那么显眼。

再以医疗设备来说，病床、医疗椅等产品，在设汁上不只是考虑操作要符合人机工程学，在材料上也应力求人性化，增加产品的亲和力，以提高产品的“EQ”。

由于学科来源的多样性和应用的广泛性，人机工程学中采用的各种研究方法种类很多，有些是从人体测量学、工程心理学等学科中沿用下来的，有些是从其他有关学科借鉴过来的，更多的是从应用的目标出发创造出来的。其中常用于一般产品设计领域的方法有如下几类：

1，测量方法

测量方法是人机工程学中研究人形体特征的主要方法，它包括尺度测量、动态测量、力量测量、体积测量、肌肉疲劳测量和其他生理变化的测量等几个方面。

2．模型工作方法

这是设计师必不可少的工作方法。设计师可通过模型构思方案，规划尺度，检查效果，发现问题，有效地提高设计成功率。

3．调查方法

人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。有些即使有可能，但从设计师工作范围来看也无此必要，因此，设计师常以调查的方法获得这方面的信息。如每年持续对1000人的生活形态进行宏观研究，收集分析人格特征、消费心理、使用性格、扩散角色、媒体接触、日常用品使用、设计偏好、活动时间分配、家庭空间运用以及人口计测等，并建立起相应的资料库。调查的结果尽管较难量化，但却能给人以直观的感受，有时反而更有效。

4．数据的处理方法

当设计人员测量或调查的是一个群体时，其结果就会有一定的离散度，必须运用数学方法进行分析处理，才能转化成具有应用价值的数据库，对设计产生指导意义。

当今的工业设计师面临着多种活动和课题，例如：电视资讯、互动电视、通用遥控器等，与企业合作的范围也很广，在实施产品的人性化设计过程中，通常采用如下的设计程序：

1)建立并运用资料库(这在前面已有论述)；

2)决定研究主题；

3)观察阶段：

*目标轮廓 *访识/观察 *使用模式/议题

4)发展阶段：

*关键议题 *产品概念 *测试与评估

在整个研究过程中，人机工程师和工业设计师都必须全程参与，但在各个阶段为主为辅的角色会有不同。例如：产品概念由工业设计师主导，测试则由人机工程师主导，每个步骤以剧本的形式来串连沟通。每件产品都有各自的在人机工程学上的特色，特别是消费性产品。以汽车内部设计来说，就有三个表达人机工程需求的方式：一是操控界面，如方向盘的设计；二是座椅及内装设计，如一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。对于大多数的中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部凹处，使人的头颈更舒服的。问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有重新考虑中西方人在身材方面的不同，尺寸上完全照搬。结果西方人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺；三是情报沟通系统，如导航系统设计及安全警报功能。

在新的世纪里，我们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越我们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。IDEO设计公司的数字化收音机正是基于这一观念上的最新数字广播概念设计，通过对使用者状况的设计构想，研究收音机的可能外观和操作方式。无论在造型上还是在界面设计上，都使人机交互关系达到物我两忘的状态。该收音机上的显示屏幕以图形界面来说明音频节目的内容。设计范围包括个人化家用收音机、个人可携式收音机和演艺工作者的专业收音机。

中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，唯有真正好用且务实的商品才能在市场上脱颖而出，让消费者感到贴心且实惠的产品方是企业制胜的绝佳利器。符合人机工程，人性化的设计是最实在，同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。

[参 考 文 献]

[1] ＜人机工程学＞．丁玉兰．主编．北京理工大学出版社．

[2] ＜人机工程学设计应用＞．严扬．编著．中国轻工业出版社．

[3] ＜世界著名设计公司卷＞．蔡军．徐邦跃．编著．黑龙江科学技术出版社．

作者联系地址：

李梁军: 湖北美术学院设计系，湖北武汉 430060

黄朝晖: 华中科技大学机械工程学院工业设计系，湖北武汉 430060

本文《人性化设计中的人机工程学工业设计论文》来自中国教育文摘，查看更多与相关文章请到http://www.eduZhai.net。

产品名称： 工业缝纫机 联系供应商：

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最高缝纫速度可达3000rpm，缝制范围可达40mm x 30mm，可轻松的满足客户的需求

采用人性化设计, 在机头缝纫位置加装专用冷光照明装置, 缓解了视觉疲劳,提高了工作效率并节省了车间的大功率照明

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采用先进的夹线机构，使缝制物的鸟巢现象有所改观